張小波

（同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州036000）

由于我國(guó)煤層賦存條件多變，對(duì)于煤層埋藏距離地表淺且較厚的礦區(qū)采用露天開采，而埋藏較深的煤層則適用采用井工開采，形成了露天井工聯(lián)合對(duì)礦區(qū)復(fù)雜埋藏的煤層進(jìn)行開采[1-5]。而在井工開采的過程中易引發(fā)地表變形、拉裂及塌陷等災(zāi)害的發(fā)生。為了更高效安全地開采安太堡露天礦豐富的煤炭資源，對(duì)該露天礦南幫進(jìn)行露天-井工聯(lián)合開采，并對(duì)其進(jìn)行物理相似與數(shù)值分析相結(jié)合的方式探究露天-井工聯(lián)合開采的可行性及邊坡穩(wěn)定性。

1 相似模擬試驗(yàn)

單純的露天開采模式下邊坡本身就存在著邊坡穩(wěn)定的問題，而南幫內(nèi)部還進(jìn)行井工開采，因此對(duì)于邊坡的穩(wěn)定的探究就不能僅使用數(shù)值模擬進(jìn)行穩(wěn)定分析，還要使用相似模擬探究在井工聯(lián)采的條件下對(duì)邊坡地表破壞的模擬。

1.1 物理相似模擬模型

目前研究的4#煤層埋藏較淺，開采方式為放頂煤，由于該種方式推進(jìn)速度快，并且兩層煤層開采后上部巖土體的“三帶”破壞現(xiàn)象必然十分嚴(yán)重，導(dǎo)致露天開采的南幫落后于井工開采，這樣就造成該幫的邊坡處于井工開采后的塌陷區(qū)內(nèi)。為分析4#煤層開采過程中圍巖的變形情況，以及其地表的下沉情況，通過相似模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)所采用的骨料為砂子，膠結(jié)材料為石灰、石膏，不同巖層間用云母粉進(jìn)行分開[6-9]。根據(jù)所取巖樣的強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算相似材料配比，考慮到巖層間差異性將折減系數(shù)調(diào)整為0.6。通過巖層厚度及巖性情況計(jì)算巖層相似分層面積、相似材料密度求出模型整體質(zhì)量。各層所需材料質(zhì)量以及巖層厚度見表1。

表1 模型試驗(yàn)配比表

1．2 試驗(yàn)結(jié)果

4#煤在沿著煤層傾向推進(jìn)的過程中，其上覆巖層開始逐漸斷裂破壞，巖層開始整體下沉。當(dāng)4#煤層推進(jìn)50 m 時(shí)，直接頂發(fā)生坍塌破壞；煤層持續(xù)推進(jìn)到80 m 時(shí)上覆巖層向上垮落到60 m 左右，持續(xù)推進(jìn)到70 m 時(shí)，煤層和上覆巖層出現(xiàn)離層狀況。且開挖的后發(fā)現(xiàn)，4#煤上覆巖層在豎直方向上的變形位移曲線是以開采為中心對(duì)稱分布。同時(shí)對(duì)模型上的1435 平臺(tái)處的9 號(hào)點(diǎn)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，邊坡的臺(tái)階處水平和法向整體的位移都偏小，向前開采到130 m 僅為26 cm，說明該階段的開采對(duì)邊坡的整體變形并沒有發(fā)生較大的影響。1435 平臺(tái)9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線如圖1。

圖1 1435 平臺(tái)9 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線

再向前開挖130 m 的基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)到240 m，所監(jiān)測(cè)的1450 平臺(tái)全部以及1435 平臺(tái)的左側(cè)地表開始出現(xiàn)彎曲下沉的情況。其中1450 平臺(tái)上的1 號(hào)點(diǎn)沉降已經(jīng)達(dá)到4.77 m，這是由于大裂隙貫通所致，通過和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比可以看出其巖層的垮落規(guī)律與實(shí)際基本相符而開挖后的斷裂情況可以看出其上覆土層中出現(xiàn)了1 個(gè)由上至下且范圍較大的傾斜貫通裂隙帶，在其左右的兩側(cè)出現(xiàn)由開挖的工作面到達(dá)煤巖分離界面的大型巖層斷裂和左側(cè)塌陷區(qū)邊界夾角約為49°，與右側(cè)塌陷區(qū)的夾角為55°。觀察整個(gè)模型上部1435 平臺(tái)上方臺(tái)階開始出現(xiàn)彎曲沉陷，對(duì)于1435 平臺(tái)下方臺(tái)階發(fā)生微弱變形，因此整體而言邊坡還是安全可靠的。4#煤開采至240 m 時(shí)9 號(hào)點(diǎn)沉降曲線如圖2，4#煤開采至240 m時(shí)1 號(hào)點(diǎn)沉降曲線如圖3 而9 號(hào)點(diǎn)此時(shí)也沉降了80 cm。

圖2 4#煤開采至240 m 時(shí)9 號(hào)點(diǎn)沉降曲線

圖3 4#煤開采至240 m 時(shí)1 號(hào)點(diǎn)沉降曲線

礦山在開采后的巖層的滑動(dòng)和破壞是一個(gè)復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)。伴隨著工作面的向前推進(jìn)，后方形成的采空區(qū)的頂板在其上方巖層的壓力下以及自重發(fā)生彎曲變形，并且其持續(xù)向前采空區(qū)面積增大，當(dāng)頂板所承受的壓力也將增大當(dāng)超過其最大抗壓強(qiáng)度時(shí)，頂板最終將斷裂、破碎最終將垮落。并且在巷道的開挖或者工作面的推進(jìn)的過程，圍巖的原始地應(yīng)力發(fā)生變化破壞了原有的平衡，致使圍巖的應(yīng)力發(fā)生改變重新分布形成一個(gè)新的應(yīng)力場(chǎng)。

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)以及模型觀察，可以得到在4#煤的開采過程中，其垮落規(guī)律基本符合“三帶”模式，隨著開采的推進(jìn)，頂板開始垮落，并出現(xiàn)垮落帶，當(dāng)開采距離達(dá)到100 m 時(shí)，上部覆巖開始斷裂，并且隨著開采的推進(jìn)，斷裂范圍向地表擴(kuò)展，至240 m 時(shí)，地表巖體彎曲，形成彎曲帶。

模型在開采的過程中發(fā)現(xiàn)一方面采空區(qū)塌陷角范圍內(nèi)包含1540 平臺(tái)以及1435 大部分區(qū)域，并且該部分垮落徹底，使之變成極為破碎的巖土，這時(shí)的邊坡和平臺(tái)失穩(wěn)變得極為明顯。由于井工的開采破壞了巖層的原有形態(tài)，讓邊坡內(nèi)部的巖土應(yīng)力發(fā)生很大的改變，使其強(qiáng)度急劇降低，讓邊坡極易沉降變形，其中1450 平臺(tái)發(fā)生的地表沉陷是所有平臺(tái)中變化最為嚴(yán)重的，最深處達(dá)10.55 m；不在采空區(qū)塌陷角區(qū)域內(nèi)的平臺(tái)雖然不受到采動(dòng)邊緣的影響，但是由于沉陷所產(chǎn)生應(yīng)力作用影響，使邊坡頂部以及周邊表土層受到水平拉應(yīng)力拉伸變形。因此在1 390 m 水平以上的平臺(tái)則會(huì)出現(xiàn)以塌陷和滑坡2 種破壞模式，并且隨著開采的持續(xù)進(jìn)行，采空區(qū)上方的巖層將逐漸壓實(shí)，破壞逐漸減小進(jìn)而轉(zhuǎn)變成滑坡的破壞形式。平臺(tái)線的最終沿降曲線如圖4。

圖4 平臺(tái)線的最終沉降曲線

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

將邊坡所在地層構(gòu)建塊體模型，對(duì)建立好的模型進(jìn)行開挖形成長(zhǎng)1 200 m、寬1 200 m、高400 m，臺(tái)階標(biāo)高為＋1 050 ～＋1 450 m 水平。所建立邊坡模型共劃分130 680 個(gè)單元格，167 200 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

401 工作面中部走向剖面最大主應(yīng)力場(chǎng)如圖5，402 工作面中部走向剖面最大主應(yīng)力場(chǎng)如圖6。

圖5 401 工作面中部走向剖面最大主應(yīng)力場(chǎng)

從圖5 和圖6 中可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，在工作面推進(jìn)到422 m 以前，工作面前端應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸增加，前端煤體表現(xiàn)出很好的承載效果。當(dāng)工作面推進(jìn)到422 m 以后，工作面前端應(yīng)力集中系數(shù)減小，煤體承載能力減弱，由于靠近邊坡坡體，工作面的開采將影響到邊坡的穩(wěn)定性。4#煤層2 個(gè)工作面分別推進(jìn)480 m 后，圍巖的應(yīng)力場(chǎng)基本服從由上到下逐漸增加的變化趨勢(shì)。受到煤層開采擾動(dòng)的影響，工作面的前端和后端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力的最大值達(dá)到了10 MPa 左右。工作面上方巖體垮落，能量釋放，形成了應(yīng)力降低區(qū)。隨著工作面地推進(jìn)，上部圍巖重新堆積壓實(shí)，在工作面上方形成了高度75 m 的應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)承載。

井工-露天聯(lián)采后邊坡圍巖的應(yīng)力場(chǎng)如圖7，應(yīng)力基本服從由上到下逐漸增加的變化趨勢(shì)，受到開采擾動(dòng)的影響，邊坡坡體表面處于應(yīng)力降低區(qū)。邊坡坡體表面的拉應(yīng)力場(chǎng)如圖8，從圖8 可以看出，在地表塌陷坑的四周以及臺(tái)階處均出現(xiàn)了0.5 MPa 左右的拉應(yīng)力。

圖6 402 工作面中部走向剖面最大主應(yīng)力場(chǎng)

圖7 井工-露天聯(lián)采后圍巖最大主應(yīng)力場(chǎng)

圖8 井工-露天聯(lián)采后圍巖最小主應(yīng)力場(chǎng)

由401 工作面和402 工作面開采后地裂垂直位移（圖略）已知：401 工作面推進(jìn)480 m 后，在地表以工作面中心位置為圓點(diǎn)形成了橢圓形塌陷坑，塌陷坑的最大深度為1.78 m；當(dāng)402 工作面推進(jìn)480 m后，地表形成了2 個(gè)塌陷坑相聯(lián)的沉降模式，塌陷坑的沉降量也增加到了2.66 m。

3 結(jié) 語

1）井工開采充分?jǐn)_動(dòng)后，在工作面上方形成了應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)承載，對(duì)邊坡的穩(wěn)定起到了積極的作用。

2）南幫邊坡受到井工開采的影響，邊坡在1450平臺(tái)受到沉陷影響邊坡產(chǎn)生向下運(yùn)移趨勢(shì)，臺(tái)階破壞主要為巖層斷裂。而1 435 m 水平以下邊坡在地下開采過程中主要表現(xiàn)為邊坡滑坡現(xiàn)象。

3）根據(jù)露天井工聯(lián)合開采邊坡的破壞特征，由于1 435 m 水平以上巖體受到沉降破壞的影響，巖體完整較差，強(qiáng)度明顯降低，故坡度角需要適當(dāng)降低。

4）受到地下開采擾動(dòng)的影響，地表出現(xiàn)塌陷坑，塌陷坑四周主要為拉破壞，地表出現(xiàn)開裂，容易引起地表水下滲，應(yīng)注意及時(shí)填埋。